Принцип действия трансформатора. Передача энергии на расстояния

 

Трансформатор – это устройство, служащее для преобразования напряжения в цепи переменного тока.

Трансформатор состоит из двух катушек, обычно с разным количеством витков, насаженных на железный сердечник (магнитопровод). Одна из катушек подключается к источнику переменного напряжения, она называется первичной катушкой. К другой катушке подключается нагрузка, эта катушка называется вторичной.

 

 

Различают два режима работы трансформатора: холостой ход и рабочий ход.

 

В режиме холостого хода концы вторичной катушки разомкнуты, ток во вторичной цепи отсутствует.

В цепи первичной катушки течет переменный ток . Этот ток создает переменный магнитный поток , концентрирующийся в сердечнике.

Переменный магнитный поток пронизывает витки первичной и вторичной катушек. Следовательно, в каждом витке вторичной катушки возникает ЭДС индукции , а в каждом витке первичной катушки – ЭДС самоиндукции . Если пренебречь рассеянием магнитного потока в сердечнике, то возникающие в каждом витке обеих катушек ЭДС можно считать одинаковыми и равными

 

 

Поскольку витки катушек соединены последовательно, суммарная ЭДС самоиндукции, возникающая в первичной катушке будет равна

E_si1 (1)

Суммарная ЭДС индукции, возникающая во вторичной катушке будет равна

E_i2 (2)

 

Видим, что вторичная катушка стала источником синусоидальной ЭДС!

Отношение ЭДС, возникающих в катушках, рано отношению числа витков в них:

 

Найдем напряжения на клеммах первичной и вторичной катушек.

Очевидно, напряжение или разность потенциалов между разомкнутыми концами вторичной катушки равна возникшей в ней ЭДС индукции:

 

Для мгновенных значений тока и напряжения в первичной катушке можно записать второй закон Кирхгофа:

 

Активное сопротивление первичной катушки , как правило, очень мало – ее накручивают из толстого медного провода. Тогда

 

Аналогичная связь будет и между действующими значениями .

Отношение напряжений на клеммах первичной и вторичной катушек называют коэффициентом трансформации k:

 

Если число витков во вторичной катушке больше числа витков в первичной катушке , то напряжение на клеммах вторичной катушки больше напряжения , подаваемого на первичную катушку. Такой трансформатор называется повышающим, для него k < 1.

Если число витков во вторичной катушке меньше числа витков в первичной катушке , то напряжение на клеммах вторичной катушки меньше напряжения , подаваемого на первичную катушку. Такой трансформатор называется понижающим, для него k > 1.

Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода выглядит следующим образом:

· магнитный поток совпадает с током по фазе;

· ЭДС в обеих катушках отстают от тока по фазе на (см. формулы 1 и 2);

· падение напряжения на активном сопротивлении первичной катушки совпадает по фазе с током ;

· напряжение на вторичной катушке совпадает с ЭДС индукции ;

· напряжение на первичной катушке находится из второго закона Кирхгофа .

Поскольку активное сопротивление первичной катушки стремится к нулю , сдвиг по фазе между током и напряжением в первичной катушке в режиме холостого хода близок к . Это значит, что в режиме холостого хода трансформатор практически не потребляет энергии от источника. Потребление энергии в этом режиме связано с потерями на тепло Джоуля – Ленца в первичной катушке, перемагничивание сердечника и потерями на тепло за счет токов Фуко, возникающих в сердечнике. Эти потери стараются снизить, используя наборный сердечник из магнито-мягкой стали и делая обмотку катушки из медного провода большого сечения.

 

Подведем итоги:

1. Когда первичная катушка подключена к источнику переменного напряжения, вторичная становится источником переменной ЭДС той же частоты.

2. Численное значение напряжения на клеммах вторичной катушки отличается от напряжения, питающего первичную катушку, во столько же раз, во сколько отличаются количества витков в катушках.